光模塊基礎(chǔ)知識培訓(xùn)課件

1、光模塊基礎(chǔ)知識培訓(xùn)（初級 進(jìn)階） 供應(yīng)商管理部 王誠剛光模塊基礎(chǔ)知識培訓(xùn)（初級 進(jìn)階） 光模塊的應(yīng)用光模塊的應(yīng)用什么是光模塊 信息 物理/模擬變換 模/數(shù)變換（電端機） 電/光變換 光纖（信道） 光/電變換 數(shù)/模變換 模擬/物理變換 信息接受者中國領(lǐng)先的光電變換專家！ 數(shù)字光模塊 ？ 模擬光模塊？數(shù)字光模塊是必然的發(fā)展趨勢 什么是光模塊中國領(lǐng)先的光電變換專家！ 光模塊的應(yīng)用場景物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層會話層表示層應(yīng)用層開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型（OSI） 提供應(yīng)用程序間的通信接口處理數(shù)據(jù)格式、加密等建立、維護、管理會話建立主機端到端連接、傳輸尋址和路由選擇提供介質(zhì)訪問、鏈路管理等比特流傳輸、規(guī)定

2、電壓、電流、線纜、光口等我們的模塊工作在物理層！光模塊的應(yīng)用場景物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層會話層表示層應(yīng)用光模塊的應(yīng)用場景硬盤陣列磁盤驅(qū)動主機總線適配器光纖通道交換機以太網(wǎng)交換機/路由器網(wǎng)卡服務(wù)器/數(shù)據(jù)中心光模塊的應(yīng)用場景硬盤陣列以太網(wǎng)交換機/路由器光模塊的應(yīng)用場景FTTx接入網(wǎng)無線接入網(wǎng)SDH/SONET以太網(wǎng)MSTPWDMOTNIP-RANPTN承載網(wǎng)POTN光模塊的應(yīng)用場景FTTx接入網(wǎng)SDH/SONET誰在主宰市場誰在主宰市場光模塊廠商的多種經(jīng)營光模塊廠商的多種經(jīng)營光模塊的發(fā)展史性能功耗成本光模塊的發(fā)展史性能光的通路 光纖光的通路 光纖光纖分類按光在光纖中的傳輸模式分為：單模光纖和多

3、模光纖 1 多模光纖MMF:可傳多種模式的光;纖芯為50/62.5m;模間色散嚴(yán)重; 應(yīng)用于短距離傳輸.2 單模光纖SMF:只能傳輸單一模式的光;纖芯為9m;損耗低;帶寬大;存 在材料色散和波導(dǎo)色散模間色散嚴(yán)重;可應(yīng)用于高速長距離傳輸.3 其他類型光纖: 用于光纖放大器的摻鉺光纖EDF 用于色散補償?shù)纳⒀a償光纖DCF 用于對相位變化引起的偏振效應(yīng)進(jìn)行補償?shù)谋Ｆ饫wG.652 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖,零色散窗口在1.3mG.653 DSF色散位移單模光纖,零色散窗口在1.55mG.654 最低衰耗單模光纖,零色散窗口在1.3m, 1.55m衰耗最低G.655 NZDSF非零色散位移單模光纖,在DSF基礎(chǔ)

4、上在1.55m窗口 保留一定的色散光纖分類按光在光纖中的傳輸模式分為：單模光纖和多模光纖 1 光纖的導(dǎo)光原理 基本概念：1）數(shù)值孔徑NA：能使光在光纖內(nèi)以全反射形式進(jìn)行傳播的接收角c的正弦值。 數(shù)值孔徑并不是越大越好。2）截止波長c：能使光纖實現(xiàn)單模傳輸?shù)淖钚」ぷ鞴獠úㄩL。（單模光纖）光纖的導(dǎo)光原理 基本概念：光纖舉例多模光纖的幾何尺寸與光學(xué)特性單模光纖的幾何尺寸與光學(xué)特性光纖舉例多模光纖的幾何尺寸與光學(xué)特性單模光纖的幾何尺寸與光學(xué)單模光纖波段劃分O 波段（原始波段） 1260-1360nm. E 波段（擴展波段） 1360-1460nm. S 波段（短波段） 1460-1530nm. C 波

5、段（常規(guī)波段） 1530-1565nm.L 波段（長波段） 1565-1625nm. U 波段（超長波段） 1625-1675nm. 1260136014601530156516251675OESCLU單模光纖波段劃分O 波段（原始波段） 1260-136光纖損耗 固有損耗 a 吸收損耗 b 散射損耗 附加損耗 a 微彎損耗 b 彎曲損耗 c 連接損耗石英光纖損耗特性曲線典型損耗值：0.85m2.5dB/km1.31m0.35dB/km1.55m0.18dB/km光纖損耗 固有損耗 附加損耗石英光纖損耗特性曲線典型損耗光纖色散1 概念 色散描述光脈沖沿光纖傳輸后脈沖展寬現(xiàn)象，主要是因為光脈沖的

6、前端和后端在光纖中傳輸?shù)木嚯x不一致。 色散是光纖的傳輸?shù)闹匾匦灾?光纖的色散引起傳輸信號的畸變,使傳輸質(zhì)量下降,從而限制了通信容量和通信距離.光放大器的廣泛應(yīng)用,目前影響光纖通信系統(tǒng)的制約因數(shù)主要是色散。2 色散的成因 1 光源發(fā)出的光不是單色光,他包含不同的頻率成分. 2 調(diào)制信號有一定的帶寬 數(shù)字系統(tǒng)表現(xiàn)形式為具有一定頻率的脈沖信號,若是全”0”或全”1” 信號,色散就不會帶來任何影響.光纖色散1 概念2 色散的成因光纖色散3 色散對數(shù)字信號傳輸?shù)挠绊?23輸入脈沖輸出脈沖+時間時間光功率光纖色散3 色散對數(shù)字信號傳輸?shù)挠绊?23輸入脈沖輸光纖色散例：G.652光纖在1310nm區(qū)域與

7、1550nm區(qū)域的色散系數(shù)色散系數(shù)的定義：每公里的光纖由于單位譜寬所引起的脈沖展寬值光纖色散例：G.652光纖在1310nm區(qū)域與1550nm區(qū)光纖色散4 色散的分類 1） 模式色散(模間色散) 多模光纖中,同一波長但不同模式的傳播速度差異引起的色散. 2） 色度色散（模內(nèi)色散） 指光譜中不同波長在光纖中的群時沿差引起的光脈沖展寬現(xiàn)象 (1)材料色散 (2)波導(dǎo)色散 3） 偏振模色散 偏振模色散是影響高速(10Gb/s)通信系統(tǒng)傳輸距離主要因素之一（單模光纖特有，由于單模光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷或纖芯折射率分布不均勻等因素造成的）。光纖色散4 色散的分類光纖非線性特性一般在WDM系統(tǒng)上反映較多。Why

8、？合波器、分波器的插入損耗，對16路波系統(tǒng)一般相加在10dB左右，對32路波系統(tǒng)一般相加在15dB左右，因此需要EDFA進(jìn)行放大補償，在放大光功率的同時，使光纖中的非線性效應(yīng)大大增加，成為影響系統(tǒng)性能，限制中繼距離的主要因素之一。1）散射效應(yīng) 受激布里淵散射SBS、受激拉曼散射SRS2）與克爾效應(yīng)相關(guān)的影響，即與折射率密切相關(guān) 自相位調(diào)制SPM、交叉相位調(diào)制XPM、四波混頻效應(yīng)FWM光纖非線性特性一般在WDM系統(tǒng)上反映較多。Why？合波器、分光模塊的基本原理光模塊的基本原理目前公司光模塊種類模塊40G TransponderQSFP+SFPSFFxPON ONU/OLTBIDI ModuleT

9、riple-play module40G/100G CFP XFP/SFP+10G 300pin MSA/SFF目前公司光模塊種類模塊40G TransponderQSFP當(dāng)前典型結(jié)構(gòu)示例當(dāng)前典型結(jié)構(gòu)示例光模塊功能框圖-SFPNow the development trend of IC which work under the rate 2.5Gbit/s is integration of LD driver, limiting amplifier and DDM function ICTOSALD DriverROSAFiberDisableData inputFiberLimiting

10、 AmplifierData outputLOSMCUEEPROMSerial data interfaceDDM: DigitalDiagnostic MonitoringFunctionIbias MonImod MonPRX MonPTX Mon光模塊功能框圖-SFPNow the development光模塊功能框圖-SFP+TOSALD DriverROSAFiberDisableData inputFiberLimiting AmplifierData outputLOSMCUEEPROMSerial data interfaceDDM: DigitalDiagnostic Mon

11、itoringFunctionIbias MonImod MonPRX MonPTX MonThe function block diagram is same as SFP except the work rate up to 10Gbit/s14Gbit/s, and the most important the IC must maitain is the low power consumption and low cost, the integration of LD driver and Limiting amplifier is the choice of most manufac

12、turer.For the uncertainty of DDM function that customer require to, the single MCU is preferred.Note: SFP+ module integrated with CDRs is the trend. (see detail below)光模塊功能框圖-SFP+TOSAROSAFiberDisab光模塊功能框圖-XFPYou can find the XFP module have an additional function which is CDR(clock and data recovery

13、) compared to the SFP+ module.The development trend of the IC is integration of LD driver, Limiting amplifier and CDR which can lower the power consumption and the cost, however the good performance of it is a great challenge for the IC design.Note: There is trend the SFP+ module integrated with CDR

14、 instead of XFP module.光模塊功能框圖-XFPYou can find the XF光模塊功能框圖-ONU/OLTWhat we focus on is the Burst mode IC which is different from the other module, such as the burst mode LD driver, burst mode limiting amplifier and burst mode TIA(transimpedance amplifier) of which the burst mode LA and TIA is hard

15、to get in the market, thus we suggest you do the work with respect to them.光模塊功能框圖-ONU/OLTWhat we focus o光模塊功能框圖-QSFP+Just as its name implies that QSFP+ means Quad SFP+, you can find from the diagram that the ICs used in it are also integration which can save the PCB space and lower the power consu

16、mption, so as to meet the requirements of application which to extend the interface density with a limited module size.The challenge of the IC design is minimize the crosstalk when integrating the four channels in one chip.光模塊功能框圖-QSFP+Just as its name 光模塊功能框圖-100G CFP4:10Gear BoxTIAPINTIAPINTIAPINT

17、IAPIN10:4Gear BoxDriverLaserDriverLaserDriverLaserDriverLaserControl InterfaceRxdata1Rxdata10Txdata1Txdata10MDCMDIOOptical fiberOptical fiberGear Box has two paths:The transmit datapath receives data from the line-card ASIC on ten parallel CAUI lanes and transmits it to the optical module on four la

18、nes; The receive datapath receives data from the optical module on four lanes and transmits it to the line-card ASIC on ten parallel CAUI lanes.光模塊功能框圖-100G CFP4:10TIAPINTIAP光模塊功能框圖-100G CFP2The next generation of CFP is 100G CFP2 which is different on reducing the gear box function( without the dat

19、a transition) and only reserve the CDR function.光模塊功能框圖-100G CFP2The next gene發(fā)射器件分類 波長1550nm 管芯結(jié)構(gòu)FP-LDDFB-LD 封裝形式 同軸DIP14 雙列直插DIL14 蝶形 工作狀況Cooler 光譜 MLM SLMTOSA Pigtail LC SC FC STMINI -DILVCSEL1310nm850nmDWDMCWDM 980nmUn-cooler0+70 -40+85 EML-DFB-LD發(fā)射器件分類 波長1550nm 管芯結(jié)構(gòu)FP-LDD接收器件分類 響應(yīng)波長 1100-1650nm

20、 管芯結(jié)構(gòu) 1310nmPIN APDDIP 雙列直插 單 PIN 850nm 類型PIN-FET PIN-TIAAPD-TIA 封裝形式MINI -DIL 同軸ROSA Pigtail LC SC FC ST 應(yīng)用數(shù)字 模擬接收器件分類 響應(yīng)波長 1100-1650nm 管芯結(jié)構(gòu) 激光器管芯種類激光器管芯種類激光器管芯種類激光器管芯種類激光器管芯種類激光器管芯種類CWDM與DMDMCWDM與DMDM激光器管芯溫漂激光器管芯溫漂探測器管芯探測器管芯TOSA和ROSATOSA和ROSABOSABOSATriplexerTriplexerTO-CANHOLDERCAPFlat- windowBal

21、l-lensAspheric-lensCouple efficiencyTO-CANHOLDERCAPFlat- windowBalTIATIATIA放大器對大信號是雙向限幅的光信號是單向的（0、1）光信號過大時就會產(chǎn)生脈沖失真（單邊削波），01判別就會出錯出現(xiàn)誤碼TIA就必須有AGC功能，以保證足夠的信號動態(tài)范圍自動增益控制（AGC)電路TIA放大器對大信號是雙向限幅的自動增益控制（AGC)電路LA限幅放大器Limiting Amplifier主放大器Post Amplifier量化器Quantizer限幅放大器主要由三部分組成：直流耦合多級放大器直流漂移補償(自動調(diào)零)電路光功率檢測告警電

22、路(有滯回的比較器)LA限幅放大器Limiting Amplifier限幅放大器LDDLDD重要概念：直流耦合與交流耦合AC耦合DC耦合電路元件多24個元件最少多速率工作有低速率限制無低速率限制易于匹配元件多LD引腳不能靠近驅(qū)動器芯片，不易匹配LD引腳直接連接LDD芯片，易于匹配，突發(fā)性能好驅(qū)動器功耗較大較小輸出調(diào)制電流較大（不受Headroom限制）較?。ㄊ蹾eadroom限制）重要概念：直流耦合與交流耦合AC耦合DC耦合電路元件多24光模塊的主要參數(shù)及性能指標(biāo) Key parameter of module （一）Transmitter module( operation temperat

23、ure range) spectrum: optical eye diagram: optical: central wavelength rise/fall time power of mean spectrum width extinction ratio optical isolation frequency chirp crossing point SMSR SNR jitter other: EMI/EMC光模塊的主要參數(shù)及性能指標(biāo) Key parameter of光模塊的主要參數(shù)及性能指標(biāo) Key parameter of module （二）Receiver module( op

24、eration temperature range) spectrum: optical: electronic: respond wavelength sensitivity LOS detector saturation jitter tolerance optical reflect jitter transport jitter generation EMI/EMC 光模塊的主要參數(shù)及性能指標(biāo) Key parameter of發(fā)射部分指標(biāo)發(fā)射光功率指模塊工作時光源輸出的平均光功率，單位為dBm 模塊內(nèi)部APC環(huán)路將保持發(fā)射光功率的穩(wěn)定 影響發(fā)射光功率的主要因素 1 光源的電光轉(zhuǎn)換效率

25、2 光源驅(qū)動電路的電流能力 3 光源組件的耦合效率Pavg =(P1+P0)/2發(fā)射部分指標(biāo)發(fā)射光功率 影響發(fā)射光功率的主要因素Pavg 發(fā)射部分指標(biāo)2 消光比指模塊輸出“”的平均光功率與“”的平均光功率的比值，單位為dBExt.r =10lgP1/P0模塊內(nèi)部溫度補償電路（ATC)將使模塊工作在不同溫度時保持消光比的穩(wěn)定測得平均效率 補償效率變化所需調(diào)制電流 補償電流設(shè)置電阻發(fā)射部分指標(biāo)2 消光比測得平均效率 補償效發(fā)射部分指標(biāo)消光比是一項指標(biāo)，用于描述激光功率轉(zhuǎn)化為調(diào)制功率或信號功率的效率。理論情況下，在保證適當(dāng)?shù)谋忍卣`碼率的情況下，消光比越大，信號所能傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)。思考：消光比是否越大

26、越好？工作速率越高，消光比偏??？消光比對產(chǎn)品使用的影響。-啁啾、渡越時間，驅(qū)動能力發(fā)射部分指標(biāo)消光比是一項指標(biāo)，用于描述激光功率轉(zhuǎn)化為調(diào)制功率發(fā)射部分指標(biāo)3 眼圖 眼圖的形成：當(dāng)二進(jìn)制碼信號在示波器上顯示波形時，掃描周期是碼元周期的整數(shù)倍，而熒光屏的余輝作用，使多個波形疊加在一起，這樣形成了類似人眼的圖形“眼圖”發(fā)射部分指標(biāo)3 眼圖發(fā)射部分指標(biāo)4 中心波長 激光器的波長有三種表示方法：峰值波長、中心波長、平均波長其中中心波長用得最多，對于DFB-LD，中心波長與峰值波長值幾乎相同；對于FP-LD， 一般用中心波長或平均波長表示激光器的工作波長。一般FP型激光器中心波長隨著溫度增加將以0.5nm

27、/的速度變長 一般DFB型激光器中心波長隨著溫度增加將以0.1nm/的速度變長因為不同波長對應(yīng)的光纖衰耗及色散系數(shù)不一樣，所以模塊不同的傳輸距離對工作波長要求就不一樣。對各種速率及傳輸距離下對波長的要求在G.957中都做了嚴(yán)格規(guī)定。發(fā)射部分指標(biāo)4 中心波長發(fā)射部分指標(biāo)5 光譜寬度 對于FP-LD，一般用3dB譜寬的均方根RMS來表示 對于DFB-LD，以主模中心波長的最大峰值功率跌落-20 dB的最大全寬表示 -3dB波長相對強度-20dB波長相對強度發(fā)射部分指標(biāo)5 光譜寬度-3dB波長相對強度-20dB波發(fā)射部分指標(biāo)6 邊模抑制比（SMSR）指激光器發(fā)射光譜中，在規(guī)定的輸出光功率時最高光譜峰

28、強度與次高光譜峰強度之比此指標(biāo)僅針對DFB單縱模激光器，一般要求大于30dB 傳輸距離越長，要求SMSR越高7 輸入電信號幅度指模塊要求的系統(tǒng)輸入的電信號的幅度范圍此指標(biāo)一般由所選用的驅(qū)動芯片決定發(fā)射部分指標(biāo)6 邊模抑制比（SMSR）7 輸入電信號幅度接收部分指標(biāo)1 靈敏度 在一定誤碼率的條件下，模塊所能接收到的最小光功率，單位為dBm 影響接收靈敏度的因素 1) 比特速率（Bit rate) 2) 發(fā)射光信號質(zhì)量 激光器的RIN；眼圖眼開度(Opening)；抖動Jitter等 3) 發(fā)射消光比(Ext.r) 4) 傳輸后的脈沖波形失真(Distortion) 5) 輸入光信噪比（OSNR）

29、 6) 接收機的性能（響應(yīng)度、暗電流、帶寬、LA輸入靈敏度，etc） 7) 空間與線路噪聲影響接收部分指標(biāo)1 靈敏度 影響接收靈敏度的因素接收部分指標(biāo)2 最小過載點 在一定誤碼率的條件下，模塊所能接收到的最大光功率，單位為dBm 影響最小過載點的主要因素 1) PIN/APD飽和 2) TIA前放飽和3 無光告警點LOS/SD 指模塊在輸出LOS/SD告警信號時對應(yīng)接收到的光功率，單位為dBm“0”“1”PassertPdeassert接收部分指標(biāo)2 最小過載點 影響最小過載點的主要因素3 無接收部分指標(biāo)2 最小過載點 在一定誤碼率的條件下，模塊所能接收到的最大光功率，單位為dBm 影響最小過

30、載點的主要因素 1) PIN/APD飽和 2) TIA前放飽和3 無光告警點LOS/SD 指模塊在輸出LOS/SD告警信號時對應(yīng)接收到的光功率，單位為dBm“0”“1”PassertPdeassert接收部分指標(biāo)2 最小過載點 影響最小過載點的主要因素3 無什么叫DDM模塊 數(shù)字診斷DDM模塊特點（以ESFP為例）：什么叫DDM模塊 數(shù)字診斷DDM模塊特點（以ESFP為例）：相關(guān)產(chǎn)品特點概述（交流互動）相關(guān)產(chǎn)品特點概述（交流互動）SFP管殼專利DDM專利侵權(quán)SFP管殼專利DDM專利侵權(quán)SFP+ & XFPFPC軟帶的應(yīng)用自制LD管芯的瓶頸調(diào)制方式多樣化：直調(diào)調(diào)制、外調(diào)制SFP+ & XFPFPC軟帶的應(yīng)用自制LD管